小安溪流域水環(huán)境污染綜合評估

游如玥，敖天其，2，朱 虹，高丹陽，張 興

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

隨著銅梁區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，其水環(huán)境質(zhì)量每況愈下，居民的生活質(zhì)量受到了一定影響。因此，本文選取銅梁境內(nèi)的小安溪流域作為研究對象，進行水質(zhì)和面源污染分析，目的是從根源上解決流域的水環(huán)境污染問題。流域水環(huán)境污染主要分為點源污染和非點源污染。從21世紀初開始，我國對于非點源污染的研究發(fā)展迅速，影響力也逐漸變大[1]。國外對流域非點源污染的研究起步較早，日本在20世紀30年代開始了對水體富營養(yǎng)化的研究，美國在20世紀60年代開始致力于研究面源污染，其他國家從20世紀80年代以來相繼開發(fā)了流域非點源污染的模擬系統(tǒng)[2]，國內(nèi)外對非點源污染的模型開發(fā)逐漸深入，具有代表性的模型有SWAT、HSPF、AGNPS、SWMM、BASINS等[3]。將污染源進行分類，通過一系列模擬計算和水質(zhì)分析，確定該流域的主要污染源和主要污染物以及重點治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)，針對性提出治理措施和建議，為研究區(qū)的水污染治理[4]提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

重慶市銅梁區(qū)位于四川盆地東南部、重慶市西北部，介于北緯29°31′10″至30°5′55″、東經(jīng)105°46′22″至106°16′40″之間，南北長62 km，東西寬約48 km，幅員面積1 343 km2。小安溪河流經(jīng)區(qū)內(nèi)長為88.3 km，多年平均流量16.5 m3/s，年均徑流量5.20億m3，區(qū)內(nèi)流域面積688 km2。通過GIS軟件中的水文分析提取出的研究區(qū)水系圖如圖1所示。

目前，小安溪流域水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境問題突出，不利于經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，全區(qū)水環(huán)境污染以農(nóng)業(yè)面源污染為主。

圖1 小安溪流域水系

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究用到的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是第二次全國土地利用調(diào)查資料，人口數(shù)、畜禽養(yǎng)殖量等數(shù)據(jù)來源于銅梁區(qū)2015年～2018年年鑒及相關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，實測水質(zhì)數(shù)據(jù)、農(nóng)藥化肥施用量、污水處理廠情況等數(shù)據(jù)來源于銅梁區(qū)環(huán)保局、規(guī)劃自然資源局、林業(yè)局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村委、畜牧發(fā)展中心、統(tǒng)計局、氣象局及流域內(nèi)各鎮(zhèn)人民政府。小安溪流域(銅梁境內(nèi))共流經(jīng)17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，本文以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度進行計算分析。

2.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)模型[5- 6]由于其簡單和相對穩(wěn)定而在許多國家被廣泛應(yīng)用。1996年，Johnes[7]在原始模型基礎(chǔ)上進一步進行了修正，修正后的模型加入了人口、牲畜的影響，公式如下

(1)

式中，L為污染物負荷量，t/a；Oi1為營養(yǎng)源i1的輸出系數(shù)，t/(km2·a)；Ai2為土地利用類型i2的面積，km2(或畜禽養(yǎng)殖類型的數(shù)量，頭，或流域的人口數(shù)量，個)；Ii3為對污染源i3的輸入量，t/a；P為來自降水的營養(yǎng)物輸入，t/a。因為本研究缺乏大氣降水所含污染物的實測數(shù)據(jù)，故未考慮該項。

因小安溪流域的實測數(shù)據(jù)欠缺，所以本次研究輸出系數(shù)的確定采用參考文獻法，主要參考了長江地區(qū)的大量面源污染相關(guān)研究文獻和實測數(shù)據(jù)資料、流域面源污染綜合治理報告，參照張洪波等人[8]關(guān)于農(nóng)村非點源污染輸出系數(shù)的研究，綜合研究區(qū)的地理位置和水環(huán)境狀況，最終確定本研究的輸出系數(shù)(見表1)。

表1 輸出系數(shù)

2.3 等標污染負荷法

等標污染負荷法[9-11]是把各類污染源的排放量、排放濃度或入河量與其對應(yīng)環(huán)境評價標準作比較，得到一個百分比，從而轉(zhuǎn)化到同一尺度上面進行比較，加大了評估的準確性。本文利用該方法對研究區(qū)的主要污染源和主要污染物進行評價。即

Pi/Pi總=qi/C0i

(2)

(3)

Ki=(Pi/Pi總)×100%

(4)

式中，Pi為i污染物的等標污染負荷；qi為污染物的年排放量；C0i為該類污染物的評價標準；Pi總為區(qū)域中某污染物的總等標污染負荷；Pin為第n個污染源中，污染物i的等標污染負荷；Ki為i污染物的等標污染負荷比。

2.4 源強系數(shù)法

2003年，中國環(huán)境規(guī)劃院提出了源強系數(shù)法[12]，國內(nèi)對于非點源污染排放量的計算已經(jīng)大量使用了源強系數(shù)法[13]。即

L=aiSiPiCiFiEi

(5)

式中，L為農(nóng)田地表徑流的污染物排放量，t/a；Ei為標準農(nóng)田地表徑流的源強系數(shù)，t/(hm2·a)；ai為第i種農(nóng)田的坡度修正值；Si、Pi、Ci、Fi分別為土壤類型、降雨量、作物類型和化肥施用量的修正系數(shù)。本文所采用四川地區(qū)的源強系數(shù)[14]見表2。

表2 各污染源COD源強系數(shù)

2.5 水質(zhì)評價方法

目前，水質(zhì)評價中最普遍使用的方法是單因子指數(shù)法，其優(yōu)點是計算簡便、能直觀反映出某一項污染物的影響；缺點是不能全面反映水環(huán)境污染的綜合情況，結(jié)果片面，不具有代表性。為了評價結(jié)果的全面性，本文選用綜合污染指數(shù)法中的內(nèi)梅羅指數(shù)法[15-17]。其計算過程簡潔、高效，因為考慮到最大值的影響，所以更能直觀地綜合反映出水質(zhì)評價的結(jié)果。本文利用所選指標的實測濃度和標準濃度，以Ⅲ類水的標準值作為基準進行計算，公式為

Fi=Ci/Coi

(6)

(7)

(8)

式中，Ci為實測濃度；Coi為標準濃度；Pi為斷面內(nèi)梅羅指數(shù)；P為加權(quán)平均內(nèi)梅羅指數(shù)。為減小不同斷面差異性的影響，保證結(jié)果的準確性，將內(nèi)梅羅指數(shù)法稍作改進，本文選取4個斷面的加權(quán)平均內(nèi)梅羅指數(shù)作為最終流域水質(zhì)情況的判定依據(jù)。內(nèi)梅羅指數(shù)和水質(zhì)等級對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 內(nèi)梅羅指數(shù)和水質(zhì)等級

3 結(jié)果分析

3.1 主要污染源和主要污染物

由于不同種類污染物的環(huán)境容納量有所差異[18]，為了轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標準來對比分析污染情況，本文引入了等標污染的概念，并且分別對研究區(qū)17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)4種污染源和3種污染物的等標污染負荷量以及等標污染負荷比進行計算和分析(見表4)。

表4 等標污染負荷 (t·a-1)/(mg·L-1)

結(jié)果顯示TN為主要污染物，城鎮(zhèn)居民生活污染為主要污染源。其原因主要是小安溪流域城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施落后，農(nóng)業(yè)面源污染嚴重。TN是有機氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的總和，為減少氮對環(huán)境的污染，應(yīng)加強控制耕地的氮肥施用量[19-20]、提高居民生活污水和生活垃圾的處理效率。

圖2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)COD總等標污染負荷空間分布

圖3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TN總等標污染負荷空間分布

污染物的空間分布如圖2、3、4所示。綜合而言，城區(qū)段污染相對較重，應(yīng)當及時采取面源污染防控措施、最大程度上減少居民生活污染量。面源污染分布比較集中并且嚴重的鎮(zhèn)(街道)為巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)，其TN等標污染負荷總量均超過了60(t·a-1)/(mg·L-1)。

表5 水質(zhì)評價結(jié)果

圖4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TP總等標污染負荷空間分布

3.2 水質(zhì)評價結(jié)果

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，小安溪河流域目標水質(zhì)為地表水Ⅲ類水。本文選取小安溪流域的段家塘、雙河口、眾志橋和玉峽渡口4個監(jiān)測斷面，以2017年～2018年的實測水質(zhì)資料作為評價基礎(chǔ)，選用一般化學指標、富營養(yǎng)化指標和有毒有害指標中的10個代表性污染指標作為評價因子，利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進行計算。水質(zhì)評價計算結(jié)果見表5。

由表5可以看出，小安溪流域2017年、2018年的水質(zhì)整體較差，平均每年有高達70%的污染指標未達到Ⅲ類水水質(zhì)標準，水質(zhì)等級基本都為Ⅳ類，部分指標的污染程度甚至達到Ⅴ類。水質(zhì)按季節(jié)呈規(guī)律性變化，豐水期整體水質(zhì)要略優(yōu)于枯水期。這可能是因為豐水期流域內(nèi)水的總量更為豐富，水環(huán)境容量更大，相當于污染物被稀釋了，流域內(nèi)水體自凈能力更好，所以污染物的濃度較低。其中，TN的內(nèi)梅羅污染指數(shù)最大，均為Ⅴ類水標準。這說明研究區(qū)氮污染最為嚴重，和上述面源污染計算結(jié)果一致。

4 現(xiàn)狀與防治措施建議

4.1 現(xiàn)狀總結(jié)

(1)小安溪河流域4種污染源的等標污染負荷從大到小依次是：城鎮(zhèn)居民生活污染>農(nóng)村居民生活污染>畜禽養(yǎng)殖污染>農(nóng)藥化肥污染。研究區(qū)等標污染以生活污水為主，污廢水排放量大并且處理不達標，是造成水環(huán)境污染的一個重要原因。

(2)研究區(qū)內(nèi)三種污染物的等標負荷總量從大到小依次是：TN>TP>COD。氮污染是造成研究區(qū)水質(zhì)差的重要原因之一。即，農(nóng)藥化肥的不合理使用以及畜禽、生活污水的不達標排放所致。

(3)研究區(qū)的污染物空間分布情況較為一致。其中，巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)的污染最為嚴重，其地理位置均靠近城區(qū)段，應(yīng)確定為重點治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域。

(4)研究區(qū)的輸入性污染嚴重，入境水質(zhì)嚴重超標，來水水質(zhì)的較差給銅梁區(qū)水環(huán)境治理帶來了巨大的壓力。

4.2 措施建議

針對小安溪河流域的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評估結(jié)果和小流域面源污染治理的主要困難[21-24]，提出防治措施。

(1)工程措施：①建設(shè)升級污染嚴重鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水處理系統(tǒng)。巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)是研究區(qū)內(nèi)污染集中且嚴重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而生活污染是該地區(qū)水污染最重要的原因之一。因此，需要對這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)置不合格或者年久失修的處理廠進行改造和修理，或新建污水處理廠，以保證居民生活污水能得到及時處理。②小安溪河流域面源防污帶建設(shè)。在小安溪流域中農(nóng)藥化肥使用相對集中、污染物排放相對較多街道附近設(shè)置防污工程，在全流域形成區(qū)域性的網(wǎng)狀“截污溝”以攔截進入到流域的污染物，起到源頭防治的作用。

(2)非工程措施：①以“控源截污—水質(zhì)凈化—生態(tài)修復”[23]為主要思路，對巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)，投入更多的資金，加大治理力度；②聯(lián)合永川區(qū)、大足區(qū)，進行上下游河長制聯(lián)動治理；③在靠近城區(qū)段鄉(xiāng)鎮(zhèn)建立實施水體達標獎懲制度，達標則獎，不達標則重罰；④積極宣傳水污染防治相關(guān)政策法律。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合水文學、環(huán)境學、地理信息科學，多角度綜合評估了小安溪流域的水污染現(xiàn)狀，將改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法和面源污染綜合模型相結(jié)合，使得現(xiàn)狀分析更加全面，從而提出了具體的污染治理措施。對傳統(tǒng)的水質(zhì)分析方法加以修正，提高了模擬精度。但由于水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料收集的不足，對水質(zhì)部分的分析深度仍有欠缺，后續(xù)還需加強研究。